现在社会到处都在应用激光：医生用它来矫正视力，收银员扫描你的货物，量子科学家来控制未来的量子计算机的量子比特。对于大多数应用，目前的激光器是十分笨重的，到处都是能源效率低下的激光器，但量子科学家需要能够在非常低的温度和非常小的尺度下工作的激光器。40多年来，他们一直在寻找有效和精确的微波激光器，在非常寒冷的环境中，量子技术工作条件下也不会受到干扰。

一组研究人员在代尔夫特理工大学的Leo Kouwenhoven领导下研究了一个基于超导电性的基本特性的片上微波激光器，具有交流约瑟夫逊效应。他们的嵌入式中断超导约瑟夫逊结的一小部分，安置在一个精心设计的片上腔上。这种装置可以开辟出很多应用程序，具有最小的功耗微波辐射是这种技术开门的钥匙，例如实现一个可扩展的量子计算机控制系统。科学家把他们的研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上。

激光器具有独特的特性，发射完全同步的相干光的能力。这意味着线宽（对应于颜色）非常窄。典型的激光器是由大量的发射器（原子、分子或半导体载体）组成的。这些常规激光器通常是低效的，并且在激射过程中损耗大量的热量。这使得它们很难在低温环境下运行，例如在操作量子计算机时。

超导约瑟夫逊结点

1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，在非常低的温度下的一些材料，会向超导状态过渡，使电流的流动没有任何能量损失。其中一个最重要的应用是超导约瑟夫逊效应：如果一个很短的屏障中断一块超导体，电子传输会在该通道内以非量子力学的规律通过超导材料。此外，他们在一个非常特定的频率进行这项实验，它可以由外部施加的直流电压实现变化。因此，约瑟夫逊结是一个完美的压光（频率）变换器。

约瑟夫逊结激光器

QuTech的科学家们耦合链接了这样一个单一的约瑟夫逊结，在一个大小如蚂蚁那样的微腔内实现了高品质因数。约瑟夫逊结的特性像一个单个的原子，而腔可以看作两镜微波光。当一个小的直流电压被施加到这个约瑟夫逊结上时，它发出的微波光子在腔的共振频率。光子来回反弹两超导镜之间，并迫使约瑟夫逊结放出更多的光子，并与在腔内光子是同步的。

通过冷却装置降到超低温度（＜1开尔文）和应用DC小电压的约瑟夫逊结，研究人员观察了微波光子发射的激光器输出的相干光束。由于芯片上的激光完全由超导体制成，所以它比以前证明的半导体激光器更节能、更稳定。它采用低于皮瓦功率运行，比一个电灯要轻1000亿倍。

低损耗量子控制

效率高品质好的相干微波光源，在目前的未来量子计算机的设计中是必不可少的。微波脉冲被用来读出和传输信息，纠正错误，访问和控制单个量子元件。虽然目前的微波源是昂贵和低效的，由QuTech制造的约瑟夫森结作为一种高效率的激光源，并是一种易于控制和修改的芯片解决方案。

该研究小组使用可调谐约瑟夫森结进行扩展其设计，这种约瑟夫森结是由纳米线制作而成，允许多量子元件的快速控制微波发射。在未来，这样的设备可能会产生所谓的“振幅压缩”的光，相比传统的激光器其具有较小的强度波动，这对于大多数量子通信协议来说是必不可少的。这项工作标志着大的量子计算系统的控制迈出了重要一步。

文章链接：

M. C. Cassidy et al. Demonstration of an ac Josephson junction laser, Science (2017). DOI: 10.1126/science.aah6640 

（本文来源：实验帮；原文见这里；）

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